WPŁYWAJĄCYCH NA PROCES GRANULACJI W SEKWENCYJNYCH REAKTORACH
3. Wyniki badań, charakterystyka czynników wpływających na proces granulacji
Na podstawie informacji zawartych w literaturze, w celu przeprowadzenia badań przyjęto odpowiednie parametry pracy reaktorów, które wykazały istotny wpływ na proces granulacji, m.in.: konstrukcja reaktora (wysoki stosunek H/D), współczynnik dekantacji, czas sedymentacji, jak równieŜ intensywność napo-wietrzania oraz utrzymanie wysokiego obciąŜenia ładunkiem zanieczyszczeń organicznych.
Dotychczasowe prace prowadzone w układach GSBR wykazały, Ŝe reaktor powinien charakteryzować się wysokim stosunkiem H/D, który umoŜliwi uzy-skanie prędkości opadania cząstek rzędu 5 ÷ 10 m/h, co pozwala na selekcję mikroorganizmów – w reaktorze pozostaje biomasa o dobrych właściwościach sedymentacyjnych i następuje tworzenie granul [19]. Badania prowadzono w dwóch reaktorach R1 i R2, dla których stosunek H/D wynosił odpowiednio 17,1 i 12. Z przeglądu literatury wynika, Ŝe wartość H/D powinna mieścić się w przedziale 5-20 [1, 18]. Odpowiedni stosunek H/D wpływa na formowanie granul o regularnych kształtach, poprzez cyrkulacyjną trajektorię cząstek [11].
Współczynnik dekantacji w reaktorach (fD) przyjęto 0,4, podobnie jak w badaniach [3], którzy starali się określić stabilne biologiczne usuwanie związ-ków biogennych, podczas rozwoju granulowanego osadu, stosując róŜny stosu-nek wymiany objętościowej w układzie GSBR. Usuwanie azotu i fosforu uzy-skali wyłącznie przy fD równym 40%, a wyŜsze wartości (50% i 60%) wpływały na masowe wymywanie biomasy i w konsekwencji prowadziły do niestabilnego usuwania związków biogennych. W publikacji [22] zastosowano wysoki stopień wymiany objętościowej na poziomie 80%, co początkowo powodowało inten-sywne wymywanie biomasy z reaktora, sprzyjając tworzeniu agregatów, ale jednocześnie zapewniło usuwanie związków biogennych.
Zastosowanie krótkiej fazy sedymentacji (5 min) powodowało początkowo wymywanie biomasy z reaktora i w fazie adaptacji nastąpił spadek wartości stęŜeń zawiesin osadu w reaktorach z 3,62 do 1,98 (R1) i 1,88 (R2) g s.m./dm3, wpływając w konsekwencji korzystnie na proces granulacji. Krótki czas sedy-mentacji wpływał na zatrzymanie w reaktorze biomasy o dobrych właściwo-ściach oraz wypłukanie z reaktora tych cząstek, które nie opadały wystarczająco szybko. W kolejnych dobach pracy reaktora następował wzrost stęŜenia suchej masy, a wartości średnie wynosiły 3,43 (R1) i 3,53 (R2) g s.m./dm3. NajwyŜszy wartości stęŜenia zaobserwowano od 53 do 81 doby, dla R1 wynosiły 3,73 ÷ 5,20 g s.m./dm3 oraz 4,0 ÷ 6,61 g s.m./dm3 dla R2 (rys. 3). Wang i wsp. [20]
badania nad procesem granulacji rozpoczynali od stęŜenia osadu na poziomie 7800 mg s.m./dm3, po 25 dniach eksperymentu wartość ta obniŜyła się o ok.
55% (3500 mg s.m./dm3). W technologii granulowanego osadu czynnego zasto-sowanej w praktyce do oczyszczania ścieków przemysłowych, osad osiągnął stęŜenie do 15 g s.m./dm3, przy IO ok. 20-40 cm3/g s.m [7].
Rys. 3. Zmiany stęŜenia suchej masy osadu oraz obciąŜenia reak-torów ładunkiem ChZT w czasie trwania badań
Fig. 3. Changes in the concentration of dry solids and COD load rate of reactors during the tests
Prędkość przepływu powietrza w reaktorach przyjęto na poziomie 0,8 cm/s.
Beun i wsp. [1] wykazali, Ŝe gładkie i trwałe granule tworzą się przy prędkości przepływu 4,1 cm/s, a przy niŜszych wartościach (1,4 ÷ 2,0 cm/s) trwałe granule nie są formowane. Jednak Tay i wsp. [16] swoimi badaniami dowiedli, Ŝe pręd-kość przepływu powietrza powyŜej 0,3 cm/s jest juŜ wystarczająca, aby powsta-ły odpowiednie oddziapowsta-ływania sił hydrodynamicznych, które zapewniają for-mowanie się granul. Intensywne napowietrzanie reaktorów na poziomie 110 dm3/h (R1) i 225 dm3/h (R2) przekładało się na stęŜenie tlenu rozpuszczonego w reaktorach. Średnie stęŜenie tlenu rozpuszczonego wynosiło 4,70 mg O2/dm3 (R1) i 4,62 mg O2/dm3 (R2). Utrzymanie odpowiedniego poziomu tlenu roz-puszczonego wpływa na strukturę mikroorganizmów granul. Niskie stęŜenie tlenu rozpuszczonego moŜe spowodować rozwój niektórych bakterii nitkowa-tych, np. Thiothrix sp. [12]. Niektóre bakterie nitkowate, takie jak Microthrix parvicella mogą się rozwijać w szerokim zakresie stęŜeń tlenu rozpuszczonego [6].
Średnia wielkość obciąŜenia reaktorów ładunkiem zanieczyszczeń orga-nicznych wynosiła 1,47 kg ChZT/m3·d. Ze względu na przyjęte parametry tech-nologiczne reaktorów, pracowały one przy jednakowym obciąŜeniu ładunkiem ChZT. Od 4 do 46 doby wartości obciąŜenia reaktora zmieniały się w zakresie 1,52 ÷ 1,67 kg ChZT/m3·d, natomiast od 53 do 88 doby nastąpił ich spadek o 7,9
÷ 11,4% (rys. 3). Przykładowo Wang i wsp. [20] wyhodowali drobne granule przy obciąŜeniu reaktora 0,4 kg ChZT/m3·cykl. Zheng i wsp. [23] wykazali, Ŝe
1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0
ObciąŜenie R1 i R2 ładunkiem ChZT [kg ChZT/m3·d]
Czas [d]
StęŜenie suchej masy [g s.m./dm3]
S.M.-R1 S.M.-R2 A ChZT
przy wielkości obciąŜ ChZT/m3·d następowało zag stopniowo swoją stabilno
Przyjęte wartości poszczególnych parame granulację, pozwoliły na wykształcenie si w obu rektorach. Jego konsystencja była wyra
Rys. 4. Tlenowy osad granulowany wyhodowany w warunkach laboratoryjnych Fig. 4. Aerobic granular sludge grown in the laboratory environment
Proces granulacji osadu nast zowały się niewielkimi
udział niewielkich kulisto
redukcję bakterii nitkowatych. Kolejne analizy wykazywały wzrastaj granul. W 60-tej dobie stwierdzono,
nule o gładkich, zaokrą w R1 i ok. 0,3 mm w R2.
gularnych kształtach. Ponadto stwierdzono znaczny wzrost bioró Oprócz dominujących w pierwszej fazie eksperymentu orz z rodzaju Aspidisca, zaobserwowano liczne orz
chesium sp., Epistylis sp.
Notommata cyrtopus), korzenionó Odnotowane rodzaje orz
tywnego oczyszczania ś
gę zasługuje równieŜ fakt sporadycznie wyst bakterii wolnopływają
i dobrym natlenieniu [
z kategorii 4 do 1 (według Eikelboom'a), co było jedn spadku wartości indeksu obj
ci obciąŜenia ładunkiem zanieczyszczeń organicznych ok. 6,0 kg powało zagęszczanie tlenowych granul, jednak traciły one stabilność w wyniku rozwoju bakterii nitkowatych.
ści poszczególnych parametrów, które mają istotny wpływ na , pozwoliły na wykształcenie się granulowanego osadu czynnego
Jego konsystencja była wyraźnie grudkowata (rys. 4).
Rys. 4. Tlenowy osad granulowany wyhodowany w warunkach laboratoryjnych Aerobic granular sludge grown in the laboratory environment
Proces granulacji osadu nastąpił dość szybko, jednak granule charakter niewielkimi średnicami. W 16 dniu badań zaobserwowano znaczny udział niewielkich kulisto-kształtnych kłaczków o zbitej strukturze oraz du
bakterii nitkowatych. Kolejne analizy wykazywały wzrastają tej dobie stwierdzono, Ŝe kłaczki osadu uformowały wyra nule o gładkich, zaokrąglonych brzegach. Średnica granul wynosiła ok.
w R1 i ok. 0,3 mm w R2. Około 25% stanowiły kłaczki drobne, luźne, o nier larnych kształtach. Ponadto stwierdzono znaczny wzrost bioróŜnorodno
ących w pierwszej fazie eksperymentu orzęsek pełzaj zaobserwowano liczne orzęski osiadłe (Vorticella sp., Ca chesium sp., Epistylis sp.), wrotki (Philodonia roseola, Monostyla decipiens,
), korzenionóŜki (Amoeba sp., Arcella sp.) oraz nicienie.
Odnotowane rodzaje orzęsek, wrotek oraz korzenionóŜek są wskaźnikiem efe tywnego oczyszczania ścieków oraz duŜej stabilności układu [2, 9, 10]. Na uw
zasługuje równieŜ fakt sporadycznie występujących wiciowców oraz brak bakterii wolnopływających. Świadczy to prawidłowym obciąŜeniu osadu natlenieniu [5]. Natomiast ilość bakterii nitkowatych znaczenie spadła, z kategorii 4 do 1 (według Eikelboom'a), co było jedną z przyczyn znacznego ci indeksu objętościowego osadu w obu reaktorach. W 121 dobie organicznych ok. 6,0 kg szczanie tlenowych granul, jednak traciły one istotny wpływ na granulowanego osadu czynnego
).
szybko, jednak granule zaobserwowano znaczny zków o zbitej strukturze oraz duŜą bakterii nitkowatych. Kolejne analizy wykazywały wzrastający udział e kłaczki osadu uformowały wyraźne
gra-rednica granul wynosiła ok. 0,2 mm źne, o niere-Ŝnorodności.
sek pełzających Vorticella sp., Car-Philodonia roseola, Monostyla decipiens,
) oraz nicienie.
źnikiem efek-]. Na uwa-cych wiciowców oraz brak
ąŜeniu osadu bakterii nitkowatych znaczenie spadła,
z przyczyn znacznego W 121 dobie
wartości średnic wynosiły odpowie (R2), więc średnica granul w R2 była wi
R1. Osad w porównywanych reaktorach pod wzgl
róŜnił się. W obu przypadkach zaobserwowano natomiast masowe wyst nie wrotek z rodzaju Philodonia roseola
występujących w osadzie czynnym gatunków wrotek i nie jest wska zaburzonej, ani efektywnej pracy osadu.
Rys. 5. Osad w procesie granulacji: (A) 60 dzie
Zdjęcia wykonane mikroskopem polaryzacyjnym Nikon Eclipse LV100POL b
saŜeniu Laboratorium Biofizycznego w Katedrze Fizyki Politechniki Rzeszowskiej, któr piono w ramach ZRORR
Fig. 5. Sludge in granulation process: (A) 60 ing of the test set
(A) R1
(B) R1
rednic wynosiły odpowiednio 0,2 ÷ 0,3 mm (R1) i 0,4 ÷ 0,45 mm rednica granul w R2 była większa o ok. 0,1 ÷ 0,15 mm od granul z Osad w porównywanych reaktorach pod względem składu biologicznego nie
. W obu przypadkach zaobserwowano natomiast masowe wyst
Philodonia roseola (rys. 5). Jest to jeden z najpowszechniej cych w osadzie czynnym gatunków wrotek i nie jest wskaźnikiem ani
ani efektywnej pracy osadu.
Osad w procesie granulacji: (A) 60 dzień pracy układu, (B) 121 dzień pracy układu cia wykonane mikroskopem polaryzacyjnym Nikon Eclipse LV100POL będącym na wyp eniu Laboratorium Biofizycznego w Katedrze Fizyki Politechniki Rzeszowskiej, któr
Sludge in granulation process: (A) 60-th day working of the test set, (B) 121-th day wor R2
R2
dnio 0,2 ÷ 0,3 mm (R1) i 0,4 ÷ 0,45 mm ksza o ok. 0,1 ÷ 0,15 mm od granul z dem składu biologicznego nie . W obu przypadkach zaobserwowano natomiast masowe
występowa-Jest to jeden z najpowszechniej cych w osadzie czynnym gatunków wrotek i nie jest wskaźnikiem ani
ń pracy układu cym na wypo-eniu Laboratorium Biofizycznego w Katedrze Fizyki Politechniki Rzeszowskiej, który zaku-th day
work-Indeks objętościowy osadu na początku badań wynosił ok. 121 cm3/g s.m.
(R1) i ok. 149 cm3/g s.m. (R2). Od 9 do 25 doby średnie wartości IO wynosiły odpowiednio ok. 75 i 82 cm3/g s.m. Po tym czasie nastąpił spadek średnich war-tości indeksu osadu do 40 cm3/g s.m. w R1 i 36 cm3/g s.m. w R2. Według Iva-nov i wsp. [8] dojrzałe granule charakteryzują się indeksem objętościowym osa-du na poziomie 70 cm3/g s.m.
4. Wnioski
Zastosowane parametry technologiczne pracy reaktorów umoŜliwiły proces granulacji tlenowego osadu czynnego. Odpowiedni stosunek pomiędzy wysoko-ścią, a średnicą kaŜdego z reaktorów, jak równieŜ krótki czas sedymentacji sprzyjały selekcji mikroorganizmów biomasy, umoŜliwiając zatrzymanie w re-aktorze biomasy o dobrych właściwościach. W rere-aktorze R2, dla którego war-tość H/D była niŜsza, wyhodowano granule o większej średnicy. Przyjęty sto-pień wymiany objętościowej na poziomie 40% zapewnił formowanie granul. Nie zaobserwowano zjawiska flokulacji biomasy, którego występowanie przy stop-niu wymiany 20÷40% stwierdzili Wang i wsp. [21].
Optymalne stęŜenie suchej masy w systemach biologicznego oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego, do zintegrowanego usuwania C, N i P, wynosi od 2 do 4 g s.m./dm3 [14]. Struktura tlenowych granul osadu czynnego pozwala uzyskać wyŜsze stęŜenie biomasy w reaktorze. W przypadku R1 wartości te dochodziły do 5,20 g s.m./dm3 oraz 6,61 dla R2. Średnia wartość stęŜenia suchej masy była wyŜsza o ok. 3% w reaktorze R2.
Wyniki procesu granulacji w obu reaktorach widoczne były juŜ w 16-tej dobie pracy reaktorów, kiedy to zaobserwowano znaczny udział niewielkich kulisto-kształtnych kłaczków o zbitej strukturze. W dalszym toku badań granulki osadu w R2 odznaczały się większymi średnicami o 0,1÷0,15 mm względem granul z R1, a sam osad lepiej sedymentował.
Analizując wyniki badań dla reaktorów, które pracowały przy jednakowej wartości obciąŜenia ładunkiem zanieczyszczeń, natomiast róŜniła je geometria, stwierdza się, Ŝe proces granulacji korzystniej przebiegał w reaktorze o większej średnicy (granule charakteryzowały się większymi średnicami, szybciej sedy-mentowały), tak więc czynnikiem mającym wpływ na proces granulacji jest odpowiedni stosunek H/D.
Literatura
[1] Beun J.J., Hendriks A., van Loosdrecht M.C.M., Morgenroth E., Wilderer P.A., Heijnen J.J.: Aerobic granulation in a sequencing batch reactor, Water Research, no 33, 10, 1999, s. 2283–2290.
[2] Cichowicz M.: Organizmy osadu czynnego, Wydawnictwo Naukowe PWN, War-szawa 1995.
[3] Coma M., Puig S., Serón N., Balaguer M.D., Colprim J.: Granular sludge develop-ment at different exchange ratios for nutrient removal, 2nd IWA Specialized Confer-ence Nutrient Management in Wastewater Treatment Processes 6-9th of September 2009 Kraków, Poland.
[4] de Kreuk M.K., McSwain B.S., Bathe S., Tay J., Schwarzenbeck S.T.L., Wilderer P.A.: Discussion outcomes. Ede. In: Aerobic Granular Sludge, Water and Environ-mental Management Series. IWA Publishing 2005, Munich, pp. 165-169.
[5] Eikelboom D. H., van Buijsen H. J. J.: Podręcznik mikroskopowego badania osadu czynnego, Wydawnictwo Seidel – Przywecki sp. z o.o., Szczecin 1999
[6] Gao D., Liu L., Liang H., Wu W-M.: Aerobic granular sludge: characterization, mechanism of granulation and application to wastewater treatment, Critical Reviews in Biotechnology, no 31(2), 2011, pp. 137-152.
[7] Gromiec M.J.: NEREDA - innowacyjna technologia granulowanego osadu czynnego do oczyszczania ścieków przemysłowych i komunalnych, Gaz, Woda i Technika sa-nitarna, nr 5, 2011, s. 179-183.
[8] Ivanov V., Wang X.-H., Tay S. T.-L., Tay J.- H.: Bioaugmentation and enhanced formation of microbial granules used in aerobic wastewater treatment, Applied Mi-crobiology and Biotechnology, no 70, 2006, pp. 374–381.
[9] Klimowicz H.: Znaczenie mikrofauny przy oczyszczaniu ścieków osadem czynnym, Dział Wydawnictw Instytutu Ochrony Środowiska, Warszawa 1989.
[10] Kocwa – Haluch R., Woźniakiewicz T.: Analiza mikroskopowa osadu czynnego i jej rola w kontroli procesu technologicznego oczyszczania ścieków, Czasopismo techniczne. Środowisko. z. 62 – Ś, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kra-ków 2011.
[11] Kończak B., Miksch K.: Proces formowania granulowanego osadu w warunkach tlenowych: przegląd literaturowy, Przegląd Naukowy – InŜynieria i Kształtowanie Środowiska, nr 51, 2011, s. 43-51.
[12] Lee S., Basu S., Tyler CW., Pitt PA.: A survey of filamentous organisms at the Deer Island Treatment Plant, Environmental Technology, no. 24(7), 2003, pp. 855-865.
[13] Liu Y., Tay J.H.: State of the art of biogranulation technology for wastewater treatment, Biotechnology Advances, no 22(7), 2004, pp. 533-563.
[14] Miksch K., Sikora J.: Biotechnologia ścieków, Wyd. Naukowe PWN, 2010.
[15] Sunil S.A., Duu-Jong L., Kuan-Yeow S., Joo-Hwa T.: Aerobic granular sludge:
Recent advances, Biotechnology Advances, no 26, 2008, pp. 411-423.
[16] Tay J.H., Liu Q.S., Liu Y.: The effects of shear force on the formation, structure and metabolism of aerobic granules, Applied Microbiology and Biotechnology, no 57, 2001, pp. 227-233.
[17] Thanh B.X., Visvanathan C., Ben Aim R.: Fouling characterization in aerobic granulation coupled baffled membrane bioreactor, IWA International Conference on Particle Separation, 9-11 July 2007, Toulouse, France.
[18] Qin L., Liu Y., Tay J.H.: Effect of settling time on aerobic granulation in sequenc-ing batch reactor, Biochemical Engineersequenc-ing Journal, no 21, 2004, pp. 47-52.
[19] Usmani S.Q., Sabir S., Farooqui I.H., Ahmad A.: Biodegradation of phenols and p-cresol by sequential batch reactor proc, International Conference on Environmental Research and Technology, no 10, 2008, pp. 906-910.
[20] Wang Q., Du G., Chen J.: Aerobic granular sludge cultivated under the selective pressure as a driving force, Process Biochemistry, no 39(5), 2004, pp. 557-563.
[21] Wang Z.W., Liu Y., Tay J.H.: The role of SBR mixed liquor volume exchange ratio in aerobic granulation, Chemospphere, no 62(5), 2006, pp. 767-771.
[22] Wojnowska-Baryła I., Cydzik-Kwiatkowska A., Szatkowski M., Gutowski Ł.:
Granulacja osadu czynnego w reaktorze SBR, Biotechnologia, nr 1(88), 2010, s.
161-169.
[23] Zheng Y.M., Yu H.Q., Liu S.J., Liu X.Z.: Formation and instability of aerobic granules under high organic loading conditions, Chemosphere, no 63, 2006, pp.
1791-1800.
AEROBIC GRANULAR SLUDGE – FACTORS AFFECTING THE